автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Анализ и оптимизация параметров осветительного устройства микроскопа

'министерство образования российской федерации

санкт-петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА МИКРОСКОПА

Специальность 05.11.07 — Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Виноградова Ольга Александровна

уж 535.317

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре «Прикладная и компьютерная оптика» Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В. А. Зверев

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

М.Н. Сокольский

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

И. Л. Лившиц

Ведущее предприятие -ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»

Защита состоится 20 июня 2006 года в ч. ОС мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: Санкт-Петербург, пер. Гревцова, дом 14, аудитория 313.

Автореферат разослан 18 мая 2006 года.

Отзывы и замечания по автореферату направлять в адрес СПбГУ ИТМО: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., дом 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01, кандидат технических наук, доцент

/Чг/

В.М. Красавцев

>л_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современный микроскоп является важным средством в развитии науки и техники. Развитие естественных наук и техники определило применение микроскопа не только как наблюдательного, но и измерительного прибора. Применение ультрафиолетового и инфракрасного излучения в микроскопии значительно расширило область применения микроскопов. С появлением новых методов исследования в микроскопии (фазового контраста, интерференционного контраста, люминесцентного экспресс-анализа и т.д.) совершенствуются и сами микроскопы, превращаясь из наблюдательных и измерительных в аналитические приборы, оснащенные средствами электроники, автоматики и вычислительной техники.

Большой вклад в развитие оптики микроскопов внесли такие отечественные ученые, как А.П. Грамматин, А.Н. Захарьевский, В.А. Зверев, М.М. Русинов, В.Н. Чуриловский и др. Вопросы теории и практики проектирования линзовых объективов для микроскопов получили развитие в трудах Л.Н. Андреева, Т.А. Ивановой, Д.Н. Фролова, а зеркальных микрообъективов - в трудах В.А. Панова.

При разработке оптической схемы осветительного устройства микроскопа решается, как правило, задача заполнения светом полевой и апертурной диафрагм при условии их полного открытия. Вполне очевидно, что осветительная система микроскопа наполняется в этом случае избыточным световым потоком, поступление которого в наблюдательную оптическую систему микроскопа ограничивается соответствующим изменением отверстий в полевой и апертурной диафрагмах. Это определяет необходимость применения достаточно мощного источника излучения при высокой входной апертуре коллектора, что приводит к выделению большого количества тепла. К тому же известно, что устранить влияние рассеянного света в оптической системе на контраст образованного ею изображения практически не удается даже в отсутствии избыточного светового потока.

I ; и ; ■ 1 ,

С.-П| .'(■( ¿у^г О'-) 200 <«кт 413

Отсюда следует актуальность исследования параметров оптической системы осветительного устройства микроскопа, уточнения требований к ней и поиска путей устранения необходимости в избыточном световом потоке. Важно при этом установить требуемый характер заполнения светом апертурной диафрагмы конденсора осветительного устройства из условия максимального разрешения тонкой структуры объекта с помощью микроскопа, а также установить оптимальные значения параметров наблюдательной оптической системы микроскопа как визуального прибора. Этим вопросам посвящена настоящая диссертационная работа, чем и определяется ее актуальность.

Цель работы

Цель работы заключается в том, чтобы в результате анализа параметров осветительного устройства, их взаимосвязи с параметрами оптической системы наблюдательной ветви микроскопа установить требования, которым должна удовлетворять оптическая система микроскопа при условиях максимальной разрешающей способности наблюдения и высокой эффективности использования светового потока, формируемого осветительным устройством микроскопа, оптическая схема которого пос гроена на применении оптической системы переменного увеличения.

Задачи исследования

1. Анализ взаимосвязи параметров оптической системы микроскопа с разрешающей способностью глаза.

2. Анализ влияния характера заполнения светом апертурной диафрагмы конденсора осветительного устройства на разрешающую способность микроскопа.

3. Анализ взаимосвязи параметров осветительного устройства с параметрами оптической системы наблюдательной ветви микроскопа. Определение эффективности использования светового потока для возможного ряда применяемых микрообъективов.

4. Определение возможных путей и необходимых условий повышения эффективности использования светового потока, формируемого осветительным устройством.

5. Разработка оптической схемы осветительного устройства микроскопа, обеспечивающего максимальную эффективность использования светового потока, на основе применения оптической системы переменного увеличения.

Методы исследования

1. Аналитические методы, основанные на применении теории геометрической оптики.

2. Компьютерное моделирование соотношений, определяющих распределение освещенности в изображении точек, образованных частично когерентным светом, путем применения программы МаШСас!.

3. Численные и графоаналитические методы анализа величин, определяемых инвариантом Лагранжа-Гельмгольца.

4. Методы оценки качества изображения.

Научная новизна диссертации

1. Разработана методика и выполнен анализ эффективности использования светового потока, формируемого осветительной сис темой микроскопа. На примере ряда комплектов микрообъективов, применяемых в типовых микроскопах, показано, что величина используемого потока, как правило, не превышает 10 %.

2. Определены требования к параметрам элементов оптической системы микроскопа, при соблюдении которых применение системы переменного увеличения в схеме осветительного устройства позволяет теоретически достичь полного использования светового потока, формируемого системой источника излучения с коллектором.

3. Получено эмпирическое соотношение, применение которого позволяет оценить разрешающую способность глаза в зависимости от диаметра световых пучков лучей, образующих изображение на сетчатке глаза.

Показано, что максимальной разрешающей способностью глаз обладает при диаметре световых пучков ¿/'~1,5 мм.

4. Методом компьютерного моделирования выполнено исследование зависимости контраста изображения от значения коэффициента, определяющего расстояние между изображаемыми точками, при различных значениях отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре микрообъектива.

5. Методом компьютерного моделирования выполнен анализ зависимости коэффициента, определяющего дифракционную разрешающую способность оптической системы, образующей изображение, от отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре микрообъектива при различных значениях контраста изображения.

6. Выполнен анализ положения оптически сопряженных точек в базовых схемах оптических систем переменного увеличения, на основе которого разработаны схемы оптической системы осветительного устройства для освещения предмета по методу Кёлера и по критическому методу, определяющие возможность высокоэффективного использования светового потока в микроскопе.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Результаты анализа зависимости разрешающей способности оптической системы микроскопа от диаметра выходного зрачка.

2. Разработанный алгоритм и результаты выполненного исследования методом компьютерного моделирования зависимости разрешающей способности микроскопа от отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа (от степени когерентности освещающих пучков лучей).

3. Разработанный метод и результаты анализа эффективности использования светового потока в микроскопе.

*

4. Аналитические соотношения, определяющие пути повышения эффективности использования светового потока в микроскопе.

5. Принципиальные схемы оптической системы осветительного устройства для освещения объекта по методу Кёлера и по критическому методу, построенные на основе применения оптических систем переменного увеличения.

Практическая ценность работы

1. Результаты анализа зависимости разрешающей способности от диаметра выходного зрачка микроскопа определяют возможность выбора обоснованного сочетания объектива и окуляра, то есть обоснованного выбора величины полезного увеличения.

2. Результаты исследования влияния заполнения светом входного (выходного) зрачка микрообъектива определяют резерв повышения разрешающей способности микроскопа при устранении причин возникновения рассеянного света или уменьшении его.

3. В результате анализа показана низкая эффективность использования светового потока в микроскопе. Полученные соотношения определяют условия, при осуществлении которых эффективность использования светового потока можно повысить, по крайней мере, на порядок.

4. Предложенная схема оптической системы осветительного устройства, построенная на применении системы переменного увеличения, позволяет соответственно снизить требования к параметрам коллектора и источника света.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались:

- на Юбилейной научно-технической конференции профессорско-

преподавательского состава СПбГИТМО, посвященной 100-летиго

университета, 29-31 марта 2000 г., Санкт-Петербург,

- на XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга, 4-7 февраля 2003 г., Санкт-Петербург,

- на I конференции молодых ученых университета СПбГУ ИТМО, 16-19 февраля 2004 г., Санкт-Петербург,

- на конференции «Прикладная оптика - 2004» международного оптического конгресса «Оптика XXI век», 18 - 21 октября 2004 г., Санкт-Петербург,

- на XXXIV научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, посвященной 100-летию первого выпуска специалистов вуза, 2-4 февраля 2005 г., Санкт-Петербург,

- на IV международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2005", 17-21 октября 2005, Санкт-Петербург.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 3 -патенты РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 35 наименований и 4-х приложений, содержит 98 страниц основного текста, 38 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Информативность наблюдения с помощью микроскопа определяется не только параметрами оптики наблюдательного канала, но и параметрами оптики осветительного устройства. Известно, что осветительная система микроскопа наполняется избыточным световым потоком, поступление которого в наблюдательную оптическую систему микроскопа ограничивается соответствующим изменением отверстий в полевой и апертурной диафрагмах. Таким образом, актуальность исследования параметров

осветительных систем микроскопа, уточнения требований к ним и поиска путей устранения необходимости в избыточном световом потоке вполне очевидна.

Глава 1. Краткий исторический очерк развития оптики микроскопов

В первой главе диссертации дан краткий исторический очерк развития оптики микроскопа от простейшей схемы лупы (микроскопа А. ван Левенгука) до современных схем исследовательских моделей микроскопов. Отмечен выдающийся вклад действительных членов Петербургской академии наук Л.Эйлера и Ф.Эпинуса в создании первой в мире конструкции ахроматического микроскопа переменного увеличения, укомплектованного шестью сменными объективами, при плавном изменении увеличения за счет изменения расстояния между предметом и изображением.

Глава 2. Оптотехника микроскопа

Оптическая система простого микроскопа представляет собой короткофокусную лупу (микроскоп Левенгука). Схема оптической системы сложного микроскопа, состоящая из объектива ф^ и окуляра <рок, с указанием расположения главных плоскостей, фокусов и фокусных расстояний, а также расстояния между ее компонентами представлена на рис. 2.1. С целью упрощения рисунка объектив и окуляр представлены простыми линзами.

Рис 2 1 Схема оптической системы сложного микроскопа

Большинство объектов, наблюдаемых с помощью микроскопа, самостоятельно не излучают света. В зависимости от того, с какой стороны объект освещается, различают два способа освещения:

1. Освещение падающим на объект светом. При этом объект наблюдается в отраженном свете.

2. Освещение проходящим через объект светом. В простейшем случае освещение предмета осуществляется источником света непосредственно, с помощью плоского или вогнутого зеркал.

Осветительные устройства современных микроскопов для достижения требуемой равномерности освещения наблюдаемой поверхности требуемых размеров кроме источника излучения включают коллектор и конденсор. Схема оптической системы современного микроскопа с осветительным устройством, формирующим освещение по методу Кёлера, представлена на рис. 2.2. Оптические системы отдельных узлов схемы представлены совмещенными главными плоскостями.

Рис 2 2 Принципиальная оптическая схема микроскопа с осветительным устройством, формирующим освещение по методу Кёлера

Радиус дифракционного пятна рассеяния в изображении точки

определяется форм\лой:

1,22Я

г --.

2п'%\асг'

Разрешающую способность оптической системы в линейной мере естественно определить соотношением вида:

ч/Я ч/Л ч/к 2п sma na a

где /„' - приведенное к воздуху фокусное расстояние системы,

d'~ диаметр световых пучков лучей, формирующих изображение,

у/ - коэффициент, определяемый предельной величиной контраста

наблюдаемого изображения.

Тогда в угловой мере разрешающая способность равна / = — = —.

fa d'

Исследования, выполненные А.Арнюльфом в Оптическом институте в Париже, показали, что визуальная разрешающая способность безаберрадионного микроскопа при различных диаметрах выходного зрачка различна и для тест-объекта Фуко с контрастом, равным единице, для ряда значений диаметра выходного зрачка определяется соотношениями:

,, л _ .. 1,03Я 2,5Д

при а =0,7 мм о - ———при а =2 мм о =-

2и sincr 2п sincr

при d'=3 мм 8' - , при d'=А мм 8' -- ^

2«'sincr' 2/z'sin сг'

Рис 2 3 Кривая зависимости i//=y/(d')

Кривую у/ = полученную А. Арнюльфом и показанную на рис. 2.3, можно аппроксимировать выражением вида:

цг = 1,03 + 1,4-

При этом = л

1,03

+ 1.

(1у'

Приравняв производную —^ = 0,

<Ы

получаем с!'ех11 «1,5 мм. Положив Л =0,54607 мкм, получаем:

¿' мм 0,50 0,75 .1,00 1,50 2,00

у угл. мин 4,29 2,76 2,17 2,04 2,08

Принято считать, что 0,5 < с1' < 1Дмл». При этом значения углового (видимого) увеличения изображения, образованного оптической системой микроскопа, определяются диапазоном: 500Л < < 1000Л, где А=пъта.

Глава 3. Анализ влияния освещения предмета в микроскопе на его изображение

Диаметр когерентно освещаемой зоны выходного зрачка определяется

I

, , г

формулой: <1^ ~ о,26а ,, где а - радиус выходного зрачка, р' - радиус р

изображения источника излучения, а г — радиус первого темного кольца в дифракционной картине изображения точки. При й'ког«а имеем некохсрентное освещение выходного зрачка; в других случаях освещение будет частично К01ерентным.

При освещении предмета по методу Келера и при критическом освещении комплексная степень когерентности света, освещающего два близко расположенных отверстия в Р\ (Хь У\) и Р2 (Х2, У г) в плоскости предмета, определяется формулой:

"и л„

где п5 эт <т5 - задняя числовая апертура конденсора.

Пусть Р (Л\Y) - точка в плоскости предмета вблизи точек Р\ и Рг. Интенсивность света в изображении точки Р\ в точке Р'{Х', У') равна:

\ Vl ) Л о

где п'0 sin а'„ - задняя числовая апертура микрообъектива.

В соответствии с инвариантом Лагранжа-Гельмгольца:

v; = v, =~^x-x,)2 ^(y-yjn, sin<т„, Xo

где no sin <yó - передняя числовая апертура микрообъектива. При этом и, соответственно,

В общем случае, интенсивность 1(Р') в плоскости изображения, образованного объективом микроскопа, определяется суперпозицией двух частично когерентных пучков световых лучей:

n'síaa' uv 2л ¡r~

где т - —í——г-, v, = = +(К2-F¡) почтао

п0%тао т л„

Пусть Jt(mvn)=0 при 0. Тогда /(/")=[МЫ] + f^ihJ¡ . Таким

V ) Ib;

образом, при т= 1 и (Р, Л) = распределение интенсивности такое же,

2 п0 sin <т0

как и при нексн ерентном освещении ючек P¡ и Р2.

При т=0: /(/>') =

2J,(v.) , 2J,(vj

V, v,

При этом при любом расстоянии

между точками распределение интенсивности остается таким же, как и в случае полностью когерентного света.

Определим интенсивность в точке, расположенной посередине между точками Р\ и Р2 на расстоянии д. Пусть (Х-Л-,)2 = д2. Тогда

{х2 -х,у,(у2 -г,)2 ={ра)\ (х2 -ху + (К, - у)1 = р2-я)\

Введем обозначения: д——-= 3, р,р2 = ———.

2и0 вт <т0 2л0 вш сг0

При этом у, = пё. \г =ж{ч/-6), у12 = тгц/ и, соответственно,

V лд ) ^ я(1/г-б) ) яту/ л8 л(ч/-б) Положив находим интенсивность в точке посредине между

точками Р] и Р2: l{P') = 2

1+цМ

nmi//

Пусть контраст изображения точек i(P') ■= v ' где^огда

г-И=1-

2 2 'j ( 2JXnmy/)

2 яту/

j t 12Jt(nmi//) 2Jx(w) ^

яту/ Щ/ 1ЩГ

Легко убедиться, что при от=1 (некогерентное освещение) г(р')= 0,268 при ^1,22, а при у=2,44 '(F) =1 *ФИ любых величинах т.

На рис. 3.1 представлена зависимость контраста i(P') изображения двух одинаковых точек от величины коэффициента у/ для трех значений m = 0; 1; 1,5.

На рис. 3.2 представлена зависимость коэффициента iff от величины отношения числовых апертур т для трех значений контраста ¿(Р1) = 0,150; 0,268; 0,350.

Рис 3 1 Зависимость контраста /(/") изображения двух одинаковых точек от величины коэффициента ц/ для трех значений т = 0; 1; 1,5

Рис 3 2 Зависимость коэффициента у от величины отношения числовых апертур т для трех значений контраста г(р') = 0,150- 0,268; 0,350

Отсюда следует, что максимальная разрешающая способность достигается при ти=1,5.

Глава 4. Светотехника микроскопа

Световой поток, направляемый системой источника излучения с коллектором в осветительное устройство микроскопа, равен:

</Ф, = Ь0я2у]п) sin2 а,.

Коэффициент пропускания оптики микроскопа будем считать равным единице. Световой поток, проходящий через оптику наблюдательной ветви микроскопа, равен dФр = 1йп2J2p, где Jp - инвариант Лагранжа-Гельмгольца:

При этом для каждого микрообъектива: Vc6Jp = V„у рпр sin ар = у'рпр ып а р. Пусть окулярное линейное поле 2ут = 2у' = const ■ Тогда, если зависимость

объектива из комплекта объективов конкретного микроскопа световой поток ¿Ф *d0 .

/х PJ

Для ряда комплектов ахроматических, планахроматических и планапохроматических объективов кривые зависимости '/„, - Vo6(np úaap)

достаточно линейны. Однако, ни одна их них не проходит через начало координат.

При этом зависимость V^ = (пр sin ар) можно аппроксимировать уравнением вида: V^ = кпр sin сгр - а. Обозначив sin ар = sinсгр0 при Voñ=(), получаем a = knpsinap0. Положив sino-, =smo-pm„, при V^ = ^(sincr^)

Jp = Уr"r sin <тр = у'рп'р sin ст'р

р ~

[*р Sin а

) нелинейна, то инвариант Jр * const, то есть для /-го и у'-го

получаем

sin а р - sin о-

В результате получаем, что

sin а

sincr„ -sraCT р i

sino-до Vo6

siner

При sin ар =srncrpmix: J = Jm - прУр —-

тт „ , ,т U sinsma-singpmM Пусть AJ~Jm-J■ Тогда — = -------

Л, sino,

Оптические параметры осветительного устройства должны быть таковы, чтобы формируемый им световой поток был равен

¿Ф, = Ьйжгугртапгр sin2 <rpwx, где пр в\аарша- наибольшая числовая апертура объектива в комплекте; Уртх ~ радиус наибольшего линейного поля объектива в комплекте. Это выражение можно переписать в таком виде: d<Ps = L^J^, где -у -п sin а . Тогда каждый объектив комплекта будет

использовать лишь часть светового потока, равную: , где У, = Уpinpis™ ар. ■

Поскольку создать конденсор для освещения площадки предмета максимального радиуса и в пределах максимальной числовой апертуры для данного комплекта объективов практически невозможно, то применяют конденсоры со съемной фронтальной или дополнительно вводимой линзами. Это позволяет повысить эффективность использования светового потока.

Вычисленные значения эффективности ц использования светового потока для соответствующих комплектов объективов микроскопов «БИМАМ» с апланатическим конденсором Бимам Р-Н, «БИОЛАМ» с апланатическим конденсором КОН-3 и «ПОЛАМ-213» с апланатическим конденсором приведены в таблице:

БИМАМ Объектив 4x0,12 ОХ-4-1 10x0,30 ОХ-1&1 25x0,50 ОХ-25-1 40x0,65 ОХ-40-2 100x1,25 ми ОХ-100-1

0,16 0,16 0,071 0,047 0,028

БИОЛАМ Объектив 3,5x0,10 ОМ-3 9x0,20 ОМ-2 20x0,40 ОМ-27 40x0,65 ОХ-1 90x1,25 ми ОМ-41

1 0,086 0,052 0,042 0,028 0,020

ПОЛАМ-213 Объектив 2,5x0,05 ОПХ-2,5П 10x0,20 ОПХ-ЮП 25x0,50 ОПХ-25П 40x0,65 ОПХ-40П 60x0,85 ОХ-31П 100x1,25 ми ОХ-32П

1 0,101 0,101 0,101 0,067 0,051 0,040

Из анализа величин, приведенных в таблице, следует, что эффективность использования светового потока в микроскопах весьма низка. Эффективность использования светового потока, создаваемого системой источника излучения с коллектором, можно существенно повысить, если применить в схеме осветительного устройства оптическую систему переменного увеличения.

Глава 5. Система переменного увеличения в схеме осветительного

устройства микроскопа

В однокомпонентной базовой схеме оптической системы переменного увеличения существуют две пары оптически сопряженных ючек, расстояние между которыми не изменяется при продольном смещении оптической системы на одно и то же расстояние, равное Д. При этом расстояние между осевыми точками предмета соответствующих пар оптически сопряженных точек равно в = %/4 + л1. Отсюда следует, что при плавном изменении расстояния А будет изменяться и расстояние между парами оптически сопряженных точек Однако, почожение голевой и апсртурной диафрагм осветительного устройства должно быть неизменным. Поэтому однокомпонентная схема применима лишь для дискретного изменения увеличения.

Расстояние от первого компонента до осевой точки предмета в двухкомпоненгной базовой схеме оптической системы переменного

увеличения определяется выражением: ^ = " ± ^ , где а =/р2{2 ~<р^с!)с] ~<рЬ,

Ър

р - ^¡/р^2 + /рГ.^фЛ1 +<рЬ-4), Ь - расстояние между осевыми точками предмета и изображения, <р = (рх+<рг- <рхсрг(1.

Если в одной из пар оптически сопряженных точек поместить осевые точки предмета и изображения, а в другой - центры входного и выходного зрачков, то расстояние между центром входного зрачка и осевой точкой

предмета (или наоборот) равно В = - 513 =—.

<Р

Но Р=Р(с[) и (¡г~-({к<1). Следовательно, и величина В будет переменной, то

есть практический смысл сохранения постоянным расстояния между

оптически сопряженными точками во второй паре, строго говоря,

утрачивается. Когда сохранение положения оптически сопряженных осевых

точек предмета и изображения и сохранение положения зрачков достаточно

важно, как, например, в осветительном устройстве микроскопа, применение

трехкомпонентной схемы переменного увеличения наиболее целесообразно.

Варианты применения системы переменного увеличения в схеме

осветительного устройства микроскопа при освещении по методу Кёлера

представлены на рис. 5.1 и 5.2, а при критическом освещении - на рис. 5.3,

где 5 - источник света, фкоя ~ коллектор, д>дл — дополнительная линза, <Рспу — система переменного увеличения, <Рксн - конденсор, ПД - полевая диафрагма, АД - апертурная диафрагма.

Рис 5 1 Схема осветительного устройства микроскопа с оптической системой переменного увеличения для освещения по методу Кёлера

Рис 5 2 Схема осветительного устройства микроскопа с оптической системой переменного увеличения для освещения по методу Кёлера

Рис 5 3 Схема осветительного устройства микроскопа с оптической системой переменного увеличения при критическом методе освещения

Заключение

Основные результаты диссертационной работы заключаются в

следующем:

1. Разработана методика и впервые выполнен анализ эффективности использования светового потока, формируемого системой источника излучения и коллектора, в визуальном канале микроскопа. На примере ряда комплектов микрообъективов, применяемых в типовых микроскопах, показано, что величина используемого потока достаточно мала и, как правило, не превышает 10 %.

2. Определены требования к параметрам объективов микроскопа, при выполнении которых применение системы переменного увеличения в схеме осветительного устройства позволяет теоретически достичь полного использования светового потока, формируемого осветительным устройством микроскопа.

3. Впервые методом компьютерного моделирования выполнено исследование зависимости контраста изображения от значения коэффициента, определяющего расстояние между изображаемыми точками, при различных значениях отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа (при различной степени когерентности освещения).

4. Методом компьютерного моделирования впервые выполнен анализ зависимости дифракционной разрешающей способности оптической

системы, образующей изображение, от отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа при различных значениях контраста изображения.

5. Применив соотношение, аппроксимирующее результаты экспериментальных исследований, показано, что визуальный оптический прибор обладает максимальной разрешающей способностью при диаметре выходного зрачка d'~\,5 мм. При d> 1,5 мм разрешающая способность изменяется мало, а при d'< 1,5 мм падает весьма заметно, уменьшаясь примерно в два раза при d'=0,5 мм.

6. Выполнен анализ положения оптически сопряженных точек в базовых схемах оптических систем переменного увеличения. Показано, что требуемой стабильностью положения двух пар оптически сопряженных точек обладает базовая трехкомпонентная схема оптической системы переменного увеличения.

7. Представлены варианты оптических схем осветительного устройства, построенные на основе применения систем переменного увеличения, для освещения предмета по методу Кёлера и при критическом методе освещения.

По 1еме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Виноградова O.A., Фролов Д.Н. Микрооптика 2000. Тенденции и решения. Вестник юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 100-летию университета, 29-31 марта 2000 года СПб: СПб ГИТМО, 2000, часть I, стр. 14-15.

2. Виноградова O.A., Фролов Д.Н. Ахроматический микрообъектив среднего увеличения. Патент РФ 2176808 на изобретение, БИПМ № 34 (II ч.), 2001, стр. 315.

3. Виноградова O.A., Гаврилюк A.B., Зверев В.А., Карпова Г.В. Осветительное устройство проекционной системы с улучшенным светораспределением в плоскости изображения. Сборник трудов

оптического общества им. Д.С. Рождественского «Прикладная оптика -2002», СПб, 2002, том 1, стр. 9-15.

4. Виноградова O.A., Натаровский С.Н., Селезнева Т.Ф., Струкова О.М., Ушакова С.В. Светотехнические расчеты растровых осветительных устройств микроскопа. Сборник трудов оптического общества им. Д.С. Рождественского «Прикладная оптика - 2002», СПб, 2002, том 3, стр. 90.

5. Виноградова O.A., Гаврилюк A.B., Зверев В.А., Карпова Г.В. Осветительное устройство проекционной системы с квазиравномерным светораспределением в плоскости изображения. Оптический журнал, том 70, № 11, 2003, стр. 40-44.

6. Белокурова И.А., Виноградова O.A., Карпова Г.В. Композиция оптических систем осветительного устройства. Вестник XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, стр. 21.

7. Виноградова O.A. Способы влияния на распределение освещенности в плоскости изображения микроскопа. Вестник XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, стр. 14.

8. Багдасарова О.В., Виноградова O.A., Зверев В.А., Фролов Д.Н. Анализ параметров оптической системы осветительного устройства микроскопа. Научный сборник «Диагностика и функциональный контроль качества оптических материалов». СПбГУ ИТМО, СПб, 2004, стр. 120-123.

9. Виноградова O.A., Зверев В.А., Фролов Д.Н. Влияние параметров элементов оптической системы микроскопа на его разрешающую способность. Вестник конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. Сборник научных трудов / Под ред. B.JI. Ткалич. СПб: СПбГУ ИТМО, 2004 г., том 1, стр. 94-97.

10. Виноградова O.A., Зверев В.А., Фролов Д.Н. Анаморфотная оптика осветительных устройств. Сборник трудов оптического общества им. Д.С. Рождественского «Прикладная оптика-2004», СПб, 2004, том 3, стр. 308-314.

11. Виноградова O.A., Карасбва И.А., Зверев В.А. Возможные варианты оценки эффективности применения оптической системы. Сборник трудов оптического общества им. Д.С. Рождественского «Прикладная оптика-2004», СПб, 2004, том 3, стр. 306-307.

12. Виноградова O.A., Точилина Т.В. Эффективность осветительного устройства светового микроскопа. Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО, выпуск 18: исследования в области физики и оптики. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2005, стр. 248-254.

13. Виноградова O.A., Точилина Т.В., Хои Рамин. Параметры оптической системы, определяющие разрешающую способность и эффективность использования светового потока в микроскопе. Сборник докладов IV международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2005", СПб: СПб ГУИТМО, 2005, стр. 173-174.

14. Ахроматический микрообъектив. Виноградова O.A., Фролов Д.Н. Патент РФ на полезную модель по заявке № 2006108430, приоритет от 17.03.2006.

15. Микроскоп стереоскопический. Виноградова O.A. Патент РФ № 53464 на полезную модель, Бюл. № 13,2006, стр. 1-2.

' ?. о

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 4669 Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Краткий исторический очерк развития оптики микроскопов.

Глава 2. Оптотехника микроскопа.

2.1. Оптическая схема микроскопа.

2.1.1. Лупа, простой микроскоп.

2.1.2. Сложный микроскоп.

2.2. Разрешающая способность оптической системы микроскопа и полезное увеличение образованного ею изображения.

Глава 3. Анализ влияния освещения предмета в микроскопе на его изображение.

3.1. Квазимонохроматический свет.

3.2. Корреляционные функции световых пучков лучей.

3.3. Интерференция и дифракция квазимонохроматического света

3.4. Образование изображения в частично когерентном свете.

3.5. Влияние освещения предмета на разрешающую способность оптики микроскопа.

Глава 4. Светотехника микроскопа.

4.1. Световой поток, формируемый оптической системой осветительного устройства микроскопа.

4.2. Эффективность использования светового потока в оптической системе микроскопа.

Глава 5. Система переменного увеличения в схеме осветительного устройства микроскопа.

5.1. Базовые схемы оптических систем переменного увеличения.

5.2. Положение оптически сопряженных точек в оптических системах переменного увеличения.

5.3. Оптическая система переменного увеличения в схеме осветительного устройства микроскопа.

Современный микроскоп является важным средством в развитии науки и техники. На протяжении длительного времени микроскоп применялся как визуальный прибор для рассматривания мелких деталей исследуемого объекта и его фотографирования. Применение в биологии физико-химических методов исследования вызвало потребность в получении количественной информации об изучаемом объекте и отдельных элементах его структуры; необходимость решения задачи определения оптических параметров минералов и руд, развитие фотоэмульсионного метода в ядерной физике привели к превращению микроскопа из наблюдательного прибора в измерительный.

В связи с развитием естественных наук и техники по мере необходимости создавались поляризационные, металлографические и другие новые типы микроскопов различного назначения. Применение ультрафиолетового и инфракрасного излучения в микроскопии значительно расширило область применения микроскопов. С появлением новых методов исследования в микроскопии (фазового контраста, интерференционного контраста, люминесцентного экспресс-анализа и т.д.) совершенствуются и сами микроскопы, превращаясь из наблюдательных и измерительных приборов в аналитические, оснащенные средствами электроники, автоматики и вычислительной техники.

Расчет оптических систем микроскопов и, в частности, микрообъективов-планапохроматов с повышенными оптическими характеристиками, является сложным и трудоемким делом [30].

Большой вклад в развитие оптики микроскопов внесли такие отечественные ученые, как А.П. Грамматин, А.Н. Захарьевский, В.А. Зверев, М.М. Русинов, В.Н. Чуриловский и др. [17, 21,31, 35].

Основным элементом в оптической системе микроскопа является объектив, который принято называть микрообъективом. Вопросы теории и практики проектирования линзовых объективов для микроскопов получили развитие в трудах JI.H. Андреева, Т.А. Ивановой, Д.Н. Фролова, а зеркальных микрообъективов - в трудах В.А. Панова [1, 26, 30]. Всякий последующий этап развития оптики микроскопа принципиально сводится к проектированию и постановке на производство новых комплектов микрообъективов, параметры которых не должны уступать параметрам лучших образцов микрообъективов зарубежных фирм при улучшенном качестве изображения. И в этом плане достигнуты весьма высокие результаты. Так, например, при планапохроматической коррекции аберраций в объективе ШП-ОПА-50БЭ-0 число Штреля в изображении осевой точки достигает 0,95, при этом число Штреля в изображении внеосевых точек не ниже 0,80 по всему полю.

При разработке оптической схемы осветительного устройства микроскопа решается, как правило, задача заполнения светом полевой и апертурной диафрагм при условии их полного открытия. Вполне очевидно, что осветительная система микроскопа наполняется в этом случае избыточным световым потоком, поступление которого в наблюдательную оптическую систему микроскопа ограничивается соответствующим изменением отверстий в полевой и апертурной диафрагмах. Известно, что устранить влияние рассеянного света в оптической системе на контраст образованного ею изображения практически не удается даже в отсутствии избыточного светового потока, а поэтому в технической документации на оптический прибор допустимая величина рассеянного света, как правило, указывается.

Таким образом, актуальность исследования параметров осветительных систем микроскопа, уточнения требований к ним и поиска путей устранения необходимости в избыточном световом потоке вполне очевидна. Важно при этом установить требуемый характер заполнения светом апертурной диафрагмы конденсора осветительного устройства из условия максимального разрешения тонкой структуры объекта с помощью микроскопа как визуального прибора, а также установить оптимальные значения параметров наблюдательной оптической системы микроскопа.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в том, чтобы в результате анализа параметров осветительного устройства, их взаимосвязи с параметрами оптической системы наблюдательной ветви микроскопа установить требования, которым должна удовлетворять оптическая система микроскопа при условиях максимальной разрешающей способности наблюдения и высокой эффективности использования светового потока, формируемого осветительным устройством микроскопа.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ взаимосвязи параметров оптической системы микроскопа с разрешающей способностью глаза.

2. Выполнить анализ влияния характера заполнения светом апертурной диафрагмы конденсора осветительного устройства на разрешающую способность микроскопа.

3. Выполнить анализ взаимосвязи параметров осветительного устройства с параметрами оптической системы наблюдательной ветви микроскопа. Определить эффективность использования светового потока для возможного ряда применяемых микрообъективов.

4. Определить возможные пути и необходимые условия повышения эффективности использования светового потока, формируемого осветительным устройством.

5. Разработать оптическую схему осветительного устройства микроскопа, обеспечивающего максимальную эффективность использования светового потока.

В процессе решения перечисленных задач должны быть определены требования не только к параметрам осветительного устройства, но и к параметрам типового ряда микрообъективов и окуляров.

Заключение

Анализ светотехники осветительного устройства показал тесную взаимосвязь его параметров с параметрами наблюдательной ветви микроскопа, их влияние на разрешающую способность микроскопа. Результаты исследований, выполненных в диссертации, позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработана методика и выполнен анализ эффективности использования светового потока, формируемого системой источника излучения и коллектора, в визуальном канале микроскопа. На примере ряда комплектов микрообъективов, применяемых в типовых микроскопах, показано, что « величина используемого потока достаточно мала и, как правило, не превышает 10 %.

2. Определены требования к параметрам объективов микроскопа, при выполнении которых применение системы переменного увеличения в схеме осветительного устройства позволяет теоретически достичь полного использования светового потока, формируемого осветительным устройством микроскопа.

3. Методом компьютерного моделирования выполнено исследование зависимости контраста изображения от значения коэффициента, определяющего расстояние между изображаемыми точками, при различных значениях отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа (при различной степени когерентности освещения).

4. Методом компьютерного моделирования выполнен анализ зависимости дифракционной разрешающей способности оптической системы, образующей изображение, от отношения задней числовой апертуры конденсора к передней числовой апертуре объектива микроскопа при различных значениях контраста изображения.

5. Применив соотношение, аппроксимирующее результаты экспериментальных исследований, показано, что визуальный оптический прибор обладает максимальной разрешающей способностью при диаметре выходного зрачка d'~ 1,5 мм. При d'> 1,5 мм разрешающая способность изменяется мало, а при d'< 1,5 мм падает весьма заметно, уменьшаясь примерно в два раза при с/'=0,5 мм.

Выполнен анализ положения оптически сопряженных точек в базовых схемах оптических систем переменного увеличения. Показано, что требуемой стабильностью положения двух пар оптически сопряженных точек обладает базовая трехкомпонентная схема оптической системы переменного увеличения.

Представлены варианты оптических схем осветительного устройства, построенные на основе применения систем переменного увеличения, для освещения предмета по методу Кёлера и при критическом методе освещения.

1. Андреев Л.Н., Грамматин А.П., Соколова Т.И. Влияние распределения увеличения в микроскопе между объективом и окуляром на качествоизображения. ОМП, 1979, № 1, с. 51-52.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 856 с.

3. Багдасарова О.В., Виноградова О.А., Зверев В.А., Фролов Д.Н. Анализ параметров оптической системы осветительного устройства микроскопа. Научный сборник «Диагностика и функциональный контроль качества

4. У оптических материалов». СПб, СПбГУ ИТМО, 2004, с. 120-123.

5. Белокурова И.А., Виноградова О.А., Карпова Г.В. Композиция оптических систем осветительного устройства. Вестник XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, с. 21.

6. Виноградова О.А., Фролов Д.Н. Ахроматический микрообъектив среднего увеличения. Патент РФ 2176808 на изобретение, БИПМ № 34 (II ч.), 2001, стр. 315.

7. Виноградова О.А., Гаврилюк А.В., Зверев В.А., Карпова Г.В.

8. Виноградова О.А. Способы влияния на распределение освещенности в плоскости изображения микроскопа. Вестник XXXII научной и учебно-методической конференции СПб ГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, с. 14.

9. Виноградова О.А., Карасёва И.А., Зверев В.А. Возможные варианты оценки эффективности применения оптической системы. Сборник трудов оптического общества им. Д.С. Рождественского «Прикладная оптика-2004», СПб, 2004, том 3, с. 306-307.

10. Виноградова О.А., Точилина Т.В. Эффективность осветительного устройства светового микроскопа. Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО, выпуск 18: исследования в области физики и оптики. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2005, с. 248-254.

11. Виноградова О.А., Фролов Д.Н. Ахроматический микрообъектив. Патент РФ на полезную модель по заявке № 2006108430, приоритет от 17.03.2006.

12. Виноградова О.А. Микроскоп стереоскопический. Патент РФ № 53464 на полезную модель, Бюл. № 13,2006, с. 1-2.

13. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем. М.: Искусство, 1960, 526 с.

14. Грамматин А.П. Методы синтеза оптических систем. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002, 65 с.

15. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983, 272 с.

16. Гуриков В.А. Становление прикладной оптики. М.: Наука, 1983, 188 с.

17. Зверев В.А. Введение в оптотехнику проектирования оптических приборов. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 1995, 104 с.

18. Зверев В.А., Точилина Т.В. Оптотехника проектирования оптических приборов. СПб: СПб ГУИТМО, 2005,457 с.

19. Зверев В.А., Журова С.А. Основы композиции принципиальных схем оптических систем переменного увеличения. Оптический журнал. 1999, том 66, № 10, с. 68-86.

20. Зверев В.А., Точилина Т.В. Параметрическая модель оптической системы переменного увеличения с дискретной компенсацией расфокусировки изображения. Оптический журнал. 2004, том 71, № 10, с.8.

21. Зверев В.А., Иванова Т.А. Некоторые вопросы проектирования оптики приборов из базовых элементов. ОМП, 1976, № 10, с. 14 17.

22. Иванова Т.А. Исследование бликов в панкратической системе микроскопов. ОМП, 1976, № 2, с. 9 12.

23. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1984, 231 с.

24. Мартин Л. Техническая оптика. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960, 424 с.

25. Микроскопы. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Л.: Машиностроение, 1969, 511 с.

26. Михель К. Основы теории микроскопа. М.: Гостехиздат, 1955, 276 с.

27. Панов В.А., Андреев А.Н. Оптика микроскопов. Расчет и проектирование. Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1976, 432 с.

28. Русинов М.М. Техническая оптика. Учебное пособие для ВУЗов. JL: Машиностроение, 1979,488 с.

29. Слюсарев Г.Г. Геометрическая оптика. M.-JL: АН СССР, 1946, 332 с.

30. Толанский С. Революция в оптике. М.: Мир, 1971, 223 с.

31. Франсон М. Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы. -М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960, 180 с.

32. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. M.-JI.: Машиностроение, 1966, 564 с.о -й.